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簡介

所謂虛擬現(xiàn)實，顧名思義，就是虛擬和現(xiàn)實相互結(jié)合。從理論上來講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用現(xiàn)實生活中的數(shù)據(jù)，通過計算機技術(shù)產(chǎn)生的電子信號，將其與各種輸出設(shè)備結(jié)合使其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受到的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以是現(xiàn)實中真真切切的物體，也可以是我們?nèi)庋鬯床坏降奈镔|(zhì)，通過三維模型表現(xiàn)出來。因為這些現(xiàn)象不是我們直接所能看到的，而是通過計算機技術(shù)模擬出來的現(xiàn)實中的世界，故稱為虛擬現(xiàn)實。 [2]

虛擬現(xiàn)實技術(shù)受到了越來越多人的認可，用戶可以在虛擬現(xiàn)實世界體驗到最真實的感受，其模擬環(huán)境的真實性與現(xiàn)實世界難辨真假，讓人有種身臨其境的感覺；同時，虛擬現(xiàn)實具有一切人類所擁有的感知功能，比如聽覺、視覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知系統(tǒng)；最后，它具有很強的仿真系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了人機交互，使人在操作過程中，可以隨意操作并且得到環(huán)境最真實的反饋。正是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了許多人的喜愛。 [2]

5G時代的到來，注定將成就虛擬現(xiàn)實技術(shù)。未來的生活趨勢將會更多的在虛擬與現(xiàn)實之間切換。 [10]

發(fā)展歷史

1、第一階段（1963年以前）有聲形動態(tài)的模擬是蘊涵虛擬現(xiàn)實思想的階段

1929年，Edward Link設(shè)計出用于訓練飛行員的模擬器；1956年，Morton Heilig開發(fā)出多通道仿真體驗系統(tǒng)Sensorama。 [3]

2、第二階段（1963—1972）虛擬現(xiàn)實萌芽階段

1965年，Ivan Sutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay”；1968年，Ivan Sutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器（HMD）；1972年，NolanBushell開發(fā)出第一個交互式電子游戲Pong。 [3]

3、第三階段（1973—1989）虛擬現(xiàn)實概念的產(chǎn)生和理論初步形成階段

1977年，Dan Sandin等研制出數(shù)據(jù)手套SayreGlove；1984年，NASA AMES研究中心開發(fā)出用于火星探測的虛擬環(huán)境視覺顯示器；1984年，VPL公司的JaronLanier提出“虛擬現(xiàn)實”的概念；1987年，JimHumphries設(shè)計了雙目全方*監(jiān)視器（BOOM）的最早原型。 [3]

4、第四階段（1990年至今）虛擬現(xiàn)實理論進一步的完善和應(yīng)用階段

1990年，提出VR技術(shù)包括三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù)；VPL公司開發(fā)出第一套傳感手套“DataGloves”，第一套HMD“EyePhoncs”；

1993年11月，宇航員通過VR系統(tǒng)的訓練，成功的完成了從航天飛機的運輸艙內(nèi)取出新的望遠鏡面板的工作，而用VR技術(shù)設(shè)計的波音777飛機是虛擬制造的典型應(yīng)用實例；2022年加拿大造船公司Seaspan將3D沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（VR）引入船舶設(shè)計，使設(shè)計師可在VR中實時瀏覽他們的設(shè)計。

21世紀以來，VR技術(shù)高速發(fā)展，軟件開發(fā)系統(tǒng)不斷完善，有代表性的如MultiGen Vega、Open Scene Graph、Virtools等。 [3]

2022年12月2日，虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實入選“智瞻2023”論壇發(fā)布的十項焦點科技名單。 [11]

分類

VR涉及學科眾多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，系統(tǒng)種類繁雜，這是由其研究對象、研究目標和應(yīng)用需求決定的。從不同角度出發(fā)，可對VR系統(tǒng)做出不同分類。 [4]

1、根據(jù)沉浸式體驗角度分類

沉浸式體驗分為非交互式體驗、人——虛擬環(huán)境交互式體驗和群體——虛擬環(huán)境交互式體驗等幾類。該角度強調(diào)用戶與設(shè)備的交互體驗，相比之下，非交互式體驗中的用戶更為被動，所體驗內(nèi)容均為提前規(guī)劃好的，即便允許用戶在一定程度上引導場景數(shù)據(jù)的調(diào)度，也仍沒有實質(zhì)性交互行為，如場景漫游等，用戶幾乎全程無事可做；而在人——虛擬環(huán)境交互式體驗系統(tǒng)中，用戶則可用過諸如數(shù)據(jù)手套，數(shù)字手術(shù)刀等的設(shè)備與虛擬環(huán)境進行交互，如駕駛戰(zhàn)斗機模擬器等，此時的用戶可感知虛擬環(huán)境的變化，進而也就能產(chǎn)生在相應(yīng)現(xiàn)實世界中可能產(chǎn)生的各種感受。 [4]

如果將該套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、多機化，使多個用戶共享一套虛擬環(huán)境，便得到群體—虛擬環(huán)境交互式體驗系統(tǒng)，如大型網(wǎng)絡(luò)交互游戲等，此時的VR系統(tǒng)與真實世界無甚差異。 [4]

2、根據(jù)系統(tǒng)功能角度分類

系統(tǒng)功能分為規(guī)劃設(shè)計、展示娛樂、訓練演練等幾類。規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)可用于新設(shè)施的實驗驗證，可大幅縮短研發(fā)時長，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計效率，城市排水、社區(qū)規(guī)劃等領(lǐng)域均可使用，如VR模擬給排水系統(tǒng)，可大幅減少原本需用于實驗驗證的經(jīng)費；展示娛樂類系統(tǒng)適用于提供給用戶逼真的觀賞體驗，如數(shù)字博物館，大型3D交互式游戲，影視制作等，如VR技術(shù)早在70年代便被Disney用于拍攝特效電影；訓練演練類系統(tǒng)則可應(yīng)用于各種危險環(huán)境及一些難以獲得操作對象或?qū)嵅俪杀靖叩念I(lǐng)域，如外科手術(shù)訓練、空間站維修訓練等。 [4]

特征

1、沉浸性

沉浸性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的特征，就是讓用戶成為并感受到自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性取決于用戶的感知系統(tǒng)，當使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產(chǎn)生思維共鳴，造成心理沉浸，感覺如同進入真實世界。 [5]

2、交互性

交互性是指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，使用者進入虛擬空間，相應(yīng)的技術(shù)讓使用者跟環(huán)境產(chǎn)生相互作用，當使用者進行某種操作時，周圍的環(huán)境也會做出某種反應(yīng)。如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應(yīng)該能夠感受到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態(tài)也應(yīng)改變。 [5]

3、多感知性

多感知性表示計算機技術(shù)應(yīng)該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種。 [5]

4、構(gòu)想性

構(gòu)想性也稱想象性，使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能發(fā)生的環(huán)境。構(gòu)想可以理解為使用者進入虛擬空間，根據(jù)自己的感覺與認知能力吸收知識，發(fā)散拓寬思維，創(chuàng)立新的概念和環(huán)境。 [5]

5、自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動作的程度。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。 [5]

關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

1、動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是VR系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目的就是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。 [6]

2、實時三維圖形生成技術(shù)

三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，那么關(guān)鍵就是“實時”生成。為保證實時，至少保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好高于30幀/秒。 [6]

3、立體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的設(shè)備不能滿足需要，力學和觸覺傳感裝置的研究也有待進一步深入，虛擬現(xiàn)實設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高。 [6]

4、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找合適的場合和對象，選擇適當?shù)膽?yīng)用對象可以大幅度提高生產(chǎn)效率，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。想要達到這一目的，則需要研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具。 [6]

5、系統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等。 [6]

技術(shù)應(yīng)用

1、在影視娛樂中的應(yīng)用

近年來，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在影視業(yè)的廣泛應(yīng)用，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主而建立的第一現(xiàn)場9DVR體驗館得以實現(xiàn)。第一現(xiàn)場9DVR體驗館自建成以來，在影視娛樂市場中的影響力非常大，此體驗館可以讓觀影者體會到置身于真實場景之中的感覺，讓體驗者沉浸在影片所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境之中。同時，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷創(chuàng)新，此技術(shù)在游戲領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用電腦產(chǎn)生的三維虛擬空間，而三維游戲剛好是建立在此技術(shù)之上的，三維游戲幾乎包含了虛擬現(xiàn)實的全部技術(shù)，使得游戲在保持實時性和交互性的同時，也大幅提升了游戲的真實感。 [2] 虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可穿戴設(shè)備的研發(fā)降低了體育項目的參與門檻，諸如國際象棋等運動，選手們可接入服務(wù)器“穿越”到世界各地賽場，與各國高手同臺競技。 [12]

2、在教育中的應(yīng)用

如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為促進教育發(fā)展的一種新型教育手段。傳統(tǒng)的教育只是一味的給學生灌輸知識，而現(xiàn)在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以幫助學生打造生動、逼真的學習環(huán)境，使學生通過真實感受來增強記憶，相比于被動性灌輸，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進行自主學習更容易讓學生接受，這種方式更容易激發(fā)學生的學習興趣。此外，各大院校利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還建立了與學科相關(guān)的虛擬實驗室來幫助學生更好的學習。 [2]

3、在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域小有成就，例如室內(nèi)設(shè)計，人們可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)把室內(nèi)結(jié)構(gòu)、房屋外形通過虛擬技術(shù)表現(xiàn)出來，使之變成可以看的見的物體和環(huán)境。同時，在設(shè)計初期，設(shè)計師可以將自己的想法通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬出來，可以在虛擬環(huán)境中預(yù)先看到室內(nèi)的實際效果，這樣既節(jié)省了時間，又降低了成本。 [2]

4、虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學方面的應(yīng)用

醫(yī)學專家們利用計算機，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學生在其中進行模擬操作，并且能讓學生感受到手術(shù)刀切入人體肌肉組織、觸碰到骨頭的感覺，使學生能夠更快的掌握手術(shù)要領(lǐng)。而且，主刀醫(yī)生們在手術(shù)前，也可以建立一個病人身體的虛擬模型，在虛擬空間中*行一次手術(shù)預(yù)演，這樣能夠大大提高手術(shù)的成功率，讓更多的病人得以恢復(fù)。 [7]

5、虛擬現(xiàn)實在軍事方面的應(yīng)用

由于虛擬現(xiàn)實的立體感和真實感，在軍事方面，人們將地圖上的山川地貌、海洋湖泊等數(shù)據(jù)通過計算機進行編寫，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能將原本平面的地圖變成一幅三維立體的地形圖，再通過全息技術(shù)將其投影出來，這更有助于進行軍事演習等訓練，提高我國的綜合國力。 [7]

除此之外，現(xiàn)在的戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，戰(zhàn)爭機器都朝著自動化方向發(fā)展，無人機便是信息化戰(zhàn)爭的最典型產(chǎn)物。無人機由于它的自動化以及便利性深受各國喜愛，在戰(zhàn)士訓練期間，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)去模擬無人機的飛行、射擊等工作模式。戰(zhàn)爭期間，軍人也可以通過眼鏡、頭盔等機器操控無人機進行巡查等任務(wù)，減小戰(zhàn)爭中軍人的傷亡率。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將無人機拍攝到的場景立體化，降低操作難度，提高偵查效率，所以無人機和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展刻不容緩。 [7]

6、虛擬現(xiàn)實在航空航天方面的應(yīng)用

由于航空航天是一項耗資巨大，非常繁瑣的工程，所以，人們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機的統(tǒng)計模擬，在虛擬空間中重現(xiàn)了現(xiàn)實中的航天飛機與飛行環(huán)境，使飛行員在虛擬空間中進行飛行訓練和實驗操作，極大地降低了實驗經(jīng)費和實驗的危險系數(shù)。 [7]

7、虛擬現(xiàn)實在工業(yè)方面應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)已大量應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，對汽車工業(yè)而言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)既是一個最新的技術(shù)開發(fā)方法，更是一個復(fù)雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境，人們可以在這種環(huán)境中以一種自然地方式從事駕駛、操作和設(shè)計等實時活動。并且虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可以用于汽車設(shè)計、實驗、培訓等方面，例如在產(chǎn)品設(shè)計中借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的三維汽車模型，可顯示汽車的懸掛、底盤、內(nèi)飾直至每個焊接點，設(shè)計者可確定每個部件的質(zhì)量，了解各個部件的運行性能。這種三維模式準確性很高，汽車制造商可按得到的計算機數(shù)據(jù)直接進行大規(guī)模生產(chǎn)。 [7]

發(fā)展局限

即使VR技術(shù)前景較為廣闊，但作為一項高速發(fā)展的科技技術(shù)，其自身的問題也隨之漸漸浮現(xiàn)，例如產(chǎn)品回報穩(wěn)定性的問題、用戶視覺體驗問題等。對于VR企業(yè)而言，如何突破目前VR發(fā)展的瓶頸，讓VR技術(shù)成為主流仍是他們所亟待解決的問題。 [8]

首先，部分用戶使用VR設(shè)備會帶來眩暈、嘔吐等不適之感，這也造成其體驗不佳的問題。部分原因來自清晰度的不足，而另一部分來自刷新率無法滿足要求。據(jù)研究顯示，14k以上的分辨率才能基本使大腦認同，但就目前來看，國內(nèi)所用的VR設(shè)備遠不及騙過大腦的要求。消費者的不舒適感可能產(chǎn)生的其對VR技術(shù)是否會對自身身體健康造成損害的擔憂，這必將影響VR技術(shù)未來的發(fā)展與普及。 [8]

VR體驗的高價位同樣是制約了其擴張的原因之一。在國內(nèi)市場中，VR眼鏡價位一般都在三千元以上。當然這并非是短時間內(nèi)可以解決的問題，用戶如果想體驗到更好的視覺享受，必然要為其內(nèi)部更高的電腦支付高昂的價格。若想要使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到推廣，確保其內(nèi)容的產(chǎn)出和回報率的穩(wěn)定十分關(guān)鍵。其所涉及內(nèi)容的制作成本與體驗感決定了消費者接受VR設(shè)備的程度，而對于該高成本的內(nèi)容，其回報率難以預(yù)估。其中對VR原創(chuàng)內(nèi)容的創(chuàng)作無疑加大了其中的難度。 [8]

參考資料

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